干貨！3D設(shè)計、3D打印與珠寶工業(yè)4.0

隨著3D打印技術(shù)不斷的成熟發(fā)展，火爆的3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了各個行業(yè)領(lǐng)域；目前這種技術(shù)正在被珠寶行業(yè)所應(yīng)用，3D打印給珠寶行業(yè)帶來了顛覆的變革。借助3D打印可以實現(xiàn)個性化定制、珠寶外形美觀度的提升；今天南極熊帶您一起深度了解下3D打印的相關(guān)知識介紹、領(lǐng)略下3D打印在珠寶及其他行業(yè)的應(yīng)用。

一、3D的基本概念
3D，也叫三維，這兩字，看著簡單，其實它包含的內(nèi)容太多了。今天探討的是運行在計算機中的3D。3D是用來描述一個或多個物體的形狀、顏色、姿態(tài)和運動的一種技術(shù)。是人能看得見的，具有空間感受的立體視覺。

我們感知世界，主要是通過視覺，視覺是人類最發(fā)達的感知器官。因為我們生活在一個信息泛濫的社會，每天都會接受到成百上千次信息轟炸，在這種情況下，人們的視覺、視線或者說注意力已經(jīng)成為了商品。視覺技術(shù)的優(yōu)劣直接影響到人的注意力，對于商業(yè)來說，直接影響到客戶體驗。所以這事非常重要！

3D技術(shù)的發(fā)展將為珠寶產(chǎn)業(yè)帶來革命性變化，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，它都會持續(xù)、穩(wěn)定的存在，并與互聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)和人工智能緊密的結(jié)合在一起。

因為3D包含的內(nèi)容太多了，我們就先從3D軟件說起。3D軟件是用來創(chuàng)造3D內(nèi)容的工具，創(chuàng)造出來的內(nèi)容包括：3D模型和圖像渲染。我們常說的3D建模（或者珠寶行業(yè)的電繪），就是用3D軟件來完成的。

3D軟件的種類也非常多，從功能上分主要有建模、渲染、動畫、物理仿真、工業(yè)CAD（包括CAM）、3D分析工具（力學(xué)、流體力學(xué)、熱力學(xué)、機械可靠性分析等等）。從行業(yè)上分，就是：影視、游戲、建筑、城市規(guī)劃、制造業(yè)等等。

所以我們看到，3D工具和它所創(chuàng)建的內(nèi)容有這么多，幾乎是無所不能，3D數(shù)據(jù)是未來信息化社會的核心資產(chǎn)。而且，3D是虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和混合現(xiàn)實的技術(shù)基礎(chǔ)。沒有3D就無法實現(xiàn)這些高端應(yīng)用。

二、3D建模

在三維軟件里，我們使用三維空間坐標(biāo)描述物體的形狀和位置（也就是X、Y、Z軸）。物體有各種各樣的造型，無論多么復(fù)雜的立體造型，都可以使用點、線、面、體來進行描述。每個3D造型的表面上的任何一點，在三維空間中都有對應(yīng)的坐標(biāo)值，這為后期的3D打印和CNC加工提供了原始數(shù)據(jù)。有關(guān)數(shù)字化加工，在后面會提到...

下圖，犀牛軟件的點線面體的圖例說明：

下面這張圖是四個簡單的3D立體模型，可以看到一個實體模型（封閉的實體）是由很多小平面或小曲面構(gòu)成的：

我們再來看看下面的圖片，曲面其實也是由更多細(xì)小的平面拼合而成：

下圖這兩張圖可以看出，任何復(fù)雜造型都可以拆解成點、線、面。通過調(diào)整和變形，我們可以把簡單的幾何體重建成復(fù)雜的造型：

下圖，任何一個四邊面或三角面都可以再分解為兩個三角面：

下圖：拼合成物體的面數(shù)越多，模型就越平滑，但渲染效率越低，反之亦反。我們看下面這張圖：同一個造型，從50萬個三角面逐步精簡到100個三角面的視覺效果。面數(shù)越少，物體表面越不平滑，但渲染速度會更快：

所以，我們要根據(jù)項目的需求，使用合適的幾何面數(shù)，既照顧到外形精度也照顧到渲染速度。

三、3D渲染
3D渲染，是實現(xiàn)3D模型真實呈現(xiàn)的過程，因為我們在建模時，大部分時間是以素模（也叫白模）來呈現(xiàn)的，上面并沒有賦予真實的材質(zhì)，我們無法感受到最終的呈現(xiàn)效果。如下圖：

我們需要先構(gòu)建3D模型和場景，才能進行渲染。相當(dāng)于攝影師，先要搭建場景，擺放道具、布光、調(diào)整人物姿態(tài)、動作，這些都完成了，才能開始拍攝（拍攝就相當(dāng)于渲染）。在計算機里，渲染的工作是由渲染器（Render）完成的。我們在3D場景中需要設(shè)定虛擬攝像機，獲取取景空間，為三維物體賦予材質(zhì)，并進行布光和運動設(shè)置，這樣就可以渲染出各種各樣的最終效果。

下面這張圖里面，有物體、攝像機、背景地板、背光源、反光板。這是一個3D渲染的常見設(shè)置：

設(shè)置完渲染參數(shù)后，開始執(zhí)行渲染，這張圖就是最終渲染的結(jié)果：

渲染器的種類很多，一類是非實時的，比如：Vray、MentalRay、Keyshot、Arion、Luxrender、Arnorld、Redshift以及Maxwell等等。還有一類是實時渲染器：比如Unity、Unreal Engine 4等等。從硬件支持上來看：分為GPU渲染器、CPU渲染器和CPU+GPU混合渲染器。我們珠寶行業(yè)最常用的是keyshot，這種渲染器使用CPU渲染，速度非�？�，屬于準(zhǔn)實時渲染器，可以在數(shù)秒鐘到數(shù)分鐘之內(nèi)就渲染出非常棒的高質(zhì)量圖像。另外，Vray也是非常優(yōu)秀的老牌渲染器，我們業(yè)內(nèi)很多人使用Gemvision的Matrix 3D珠寶設(shè)計軟件就內(nèi)置了Vray渲染器，網(wǎng)上也有大量的Vray渲染的珠寶案例，大家可以去查查。

實時渲染器是未來的趨勢，三維場景中的任何變化，實時渲染器都能即時完成圖像呈現(xiàn)。這一點非常重要，這也是虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的基本要求。因為在VR、AR中顯示的是3D內(nèi)容和場景，頭顯和傳感器做出的任何動作，都必須得到實時的3D渲染，并且最少要達到30幀/秒的幀速率。也就是說，渲染器每秒要渲染30張連續(xù)的運動圖片，并在VR顯示屏里顯示出來。

Vray渲染的耳釘：

Keyshot渲染的戒指和寶石：

Keyshot渲染的戒指：

渲染這個詞，在臺灣叫【算圖】，這個叫法很形象，就是把計算機代碼翻譯成圖形，呈現(xiàn)在屏幕上，成為可視化信息。在電腦里面，只要是呈現(xiàn)在屏幕上，都需要渲染，包括字符、網(wǎng)頁、軟件界面、圖形、圖像等等。3D渲染并非是指最終的產(chǎn)品形態(tài)，中間過程的呈現(xiàn)也叫渲染。我舉個例子：

下圖：是一個在JewelCAD里建模時，實時渲染出來的效果，這是為了讓建模的人可以實時預(yù)覽款式造型，而是用的一種簡單渲染的方式，不是為了查看最終效果，而是用于隨時了解款式的造型：

JewelCAD中的shade渲染：

Rhino中的Rendered渲染：

Keyshot準(zhǔn)實時渲染：

Arion高級渲染+后期特效

四、3D軟件的分類

視覺類3D軟件（比如：影視、游戲行業(yè)中）經(jīng)常使用3ds Max、MAYA、XSI、Cinema 4D、Houdini、Blender等等軟件進行3D場景和動畫創(chuàng)作。
Zbrush的3D建模設(shè)計：

MAYA的3D動畫設(shè)計：

Cinema 4D的數(shù)字繪景（Matte Painting）：

Realflow流體仿真特效制作：

CAD是計算機輔助設(shè)計的縮寫，各個行業(yè)的CAD有很多，比如電子電路設(shè)計CAD、光學(xué)設(shè)計CAD、服裝面料設(shè)計CAD等等，我們這里只討論工業(yè)設(shè)計CAD。

而工業(yè)設(shè)計則使用 3D CAD軟件，比如：機械制造類的結(jié)構(gòu)設(shè)計多使用Pro E、Solidworks、UG等等、外觀設(shè)計通常使用Alias和Rhino。結(jié)構(gòu)設(shè)計就是那些具有很多零部件的、具有復(fù)雜裝配和運動關(guān)系的設(shè)計項目（比如汽車發(fā)動機、變速箱、離合器等機械產(chǎn)品），外觀設(shè)計主要偏重于造型、外觀的設(shè)計。

當(dāng)年我剛?cè)胄械臅r候，問一個電繪起版師，使用什么軟件做起版，他們都跟我說是CAD，我問是什么CAD？他們說就是CAD啊！還有什么CAD��？后來才知道他們使用Jewel CAD，被簡稱為CAD。因為當(dāng)年JewelCAD是珠寶行業(yè)唯一的3D設(shè)計工具，幾乎沒有其它的。

所以這種叫法也可以理解。CAD是計算機輔助設(shè)計的縮寫，泛指工業(yè)設(shè)計類的3D工具。Pro E、Solidworks、UG、Alias和Rhino都屬于CAD軟件，JewelCAD只是一個軟件的名字，是CAD家族中的成員之一。

下圖：中國珠寶行業(yè)廣泛應(yīng)用的3D建模工具Jewel CAD：

下圖是一種機械結(jié)構(gòu)設(shè)計CAD軟件：

那么這些軟件有什么區(qū)別嗎？區(qū)別很大，內(nèi)容也很多。我們只說一個最容易理解的區(qū)別。純視覺的3D設(shè)計軟件最終目的是為了滿足視覺呈現(xiàn)，它不需要生產(chǎn)，對模型的尺寸沒有嚴(yán)格的要求，只要視覺上好看、比例正確就行了。

比如，一個動畫電影中，一個女孩佩戴的戒指，只需要對它的可見外觀進行建模就行了，而不可見的部分，比如分件裝配用的定位銷、槽口、底片、掏底等等，都不要建模，因為即使建模了，在電影場景中也看不到，反而增加了3D模型的復(fù)雜度和面數(shù)（影響后期渲染的速度）

CAD軟件創(chuàng)造的3D內(nèi)容通常都是為了加工出最終產(chǎn)品，因此對尺寸、結(jié)構(gòu)、精度和工藝有嚴(yán)格的要求。簡單說，視覺3D軟件做出來的內(nèi)容是為了呈現(xiàn)、是為了觀看，精度達到視覺要求就可以（視覺上精確就行）。而工業(yè)CAD軟件做出來的內(nèi)容是為了生產(chǎn)和制造，就需要有加工精度、加工余量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工藝數(shù)據(jù)等等。這就是最重要的區(qū)別。

是不是說視覺類的3D軟件設(shè)計出來的3D模型就不能用于工業(yè)生產(chǎn)？完全不是！視覺類3D軟件完全可以輸出工業(yè)級的精度，只是它不擅長干這事。如果有人愿意在3ds max上開發(fā)CAD插件的話，也是沒有問題的，同樣可以實現(xiàn)工業(yè)CAD所擅長的設(shè)計流程。

五、介紹幾個適用于珠寶建模的軟件和工具

Rhino是民用工業(yè)外觀設(shè)計的平臺級軟件，是典型的Nrubs曲面建模軟件，具有良好的開放性和擴展性。大量的民品制造業(yè)均以Rhino為平臺，構(gòu)建自己的專用工具。珠寶行業(yè)就有Matrix、Rhinogold、Pavetool等珠寶設(shè)計插件。

同時，還有很多輔助插件都可以直接服務(wù)于珠寶設(shè)計流程，比如keyshot、Vray、T-Spline、Grasshopper等等，非常多。比如Grasshopper，是一種基于節(jié)點編程的參數(shù)化建模工具，組合不同的函數(shù)，對點線面體進行控制，當(dāng)輸入不同變量時，能呈現(xiàn)出千變?nèi)f化的隨機造型，非常強大。如下圖：

下面這張圖是使用Rhino Grasshopper進行建模的界面圖例：

Pixologic開發(fā)的Zbrush，這是一個雕刻建模工具，最早被用于電影和游戲中的3D角色設(shè)計，擁有強大的細(xì)節(jié)刻畫能力，近年來已經(jīng)開始應(yīng)用于珠寶設(shè)計，有關(guān)的細(xì)節(jié)大家可以度娘一下。

Pixologic Zbrush的界面：

Zbrush創(chuàng)作的內(nèi)容

總結(jié)一下，目前常見的建模方式有以下幾種：


（1）多邊形建模
（2）細(xì)分表面建模
（3）曲面建模
（4）雕刻建模
（5）基于可視化編程的參數(shù)化建模
（6）基于手繪的快速建模
（7）基于3D掃描的逆向重構(gòu)建模

下圖，這是基于手繪的快速建模，更適合具有手繪技能的3D設(shè)計師：

人工智能終將成為3D設(shè)計的重要工具：

基于參數(shù)化的建模方式為今后的人工智能嵌入打下了基礎(chǔ)。就是說，人工智能會被應(yīng)用到3D建模領(lǐng)域，你建模的每一步操作都會被人工智能系統(tǒng)記錄并模仿，它會深度學(xué)習(xí)你建模的技術(shù)習(xí)慣、領(lǐng)會你的建模思路，判斷你的建模意圖，從而協(xié)助建模者更快的完成從創(chuàng)意到立體模型的轉(zhuǎn)換。這個就太厲害。

六、三維掃描與逆向設(shè)計
我們使用3D軟件進行珠寶建模，是為了創(chuàng)建一個可用于數(shù)字化生產(chǎn)的造型。這種使用軟件創(chuàng)造原始模型的流程我們叫做正向設(shè)計（先有3D數(shù)據(jù)，后有實物）。還有一種方式，是使用3D掃描儀，獲取實物的外形數(shù)據(jù)，反求它的3D模型，這種方式叫做逆向設(shè)計（先有實物，后有3D數(shù)據(jù)）。逆向設(shè)計就是根據(jù)已有實物，通過技術(shù)手段重構(gòu)3D造型。這種3D建模方式，對于某些擁有大量實物零配件的企業(yè)，可以實現(xiàn)快速和低成本的3D數(shù)據(jù)庫。

大業(yè)DS130珠寶掃描儀使用光柵照相方式反求戒指的3D結(jié)構(gòu)：

DS130三維掃描儀是大業(yè)三維公司自主研發(fā)并量產(chǎn)的專業(yè)級珠寶三維掃描儀，主要用于珠寶領(lǐng)域的三維數(shù)據(jù)重建。三維數(shù)據(jù)重建精度小于10微米，達到國際先進水平，實現(xiàn)了高速度、高精度、自動化的掃描工作，保證用戶在使用過程中省心、省力又省時。

通過3D掃描儀，獲取點云數(shù)據(jù)，經(jīng)過軟件計算后，重構(gòu)3D零件：

這樣，我們就知道了，正向設(shè)計和逆向設(shè)計是一個相互補充的設(shè)計建模方式。對于珠寶行業(yè)來說，正向設(shè)計是未來的主流，因為產(chǎn)業(yè)整體會向著個性化設(shè)計、定制方向進化，先設(shè)計后生產(chǎn)。在客戶下單前，沒有必要先生產(chǎn)出實物，所有的設(shè)計方案都以3D數(shù)據(jù)的形態(tài)存放在云端服務(wù)器，是一種輕資產(chǎn)的、現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式，也是珠寶工業(yè)4.0的核心目標(biāo)。

七、3D打印和CNC數(shù)控加工

3D打印是一種先進制造技術(shù)，有別于傳統(tǒng)的減材制造，這是一種增材制造技術(shù)，是靠材料的堆疊完成造型的。我們常說的車床、銑床、刨床等傳統(tǒng)加工設(shè)備都是減材制造。通常是在一定規(guī)格的型材上進行切削加工，無論是手動加工還是數(shù)控加工，這都會造成較大的浪費，即使回收切削廢料，仍然不是一個最理想的生產(chǎn)技術(shù)。3D打印技術(shù)正在解決這個問題。

我們簡單說一下3D打印機是如何工作的？它就離不開我們前面說的3D模型了。前面講過，每個3D造型的表面上的任何一點，在三維空間中都有對應(yīng)的坐標(biāo)值。3D打印機，通過讀取3D文件，獲知了造型斷面邊界上每個點的空間坐標(biāo)，將這個坐標(biāo)信息傳遞給3D打印機的運動控制系統(tǒng)，高精度電機驅(qū)動工作臺在絲杠或滑軌上運動，使3D噴頭或激光器定位于相應(yīng)的空間坐標(biāo)，并進行噴料或燒結(jié)操作。這個原理并不復(fù)雜，但在實際研發(fā)上還是有很多核心技術(shù)的，單單講精度和速度比，就有很多的問題需要解決。

除了傳統(tǒng)的3D噴蠟，現(xiàn)在也出現(xiàn)了貴金屬3D打印機，直接打印金屬。目前的瓶頸主要是材料科學(xué)方向，除了材料特性、強度、成本之外，還有一些精度、速度等問題正在解決，我覺得，在今后3-5年，3D打印技術(shù)一定會進入高速增長階段。


3D金屬打印（增材制造）：

增材制造技術(shù)固然先進，但是，在相當(dāng)長的時間里，減材制造技術(shù)不會消失。兩者結(jié)合起來就會具有很大的優(yōu)勢。比如使用3D金屬打印機快速打印粗坯，然后再使用CNC進行高精度加工，就能提升表面精度、速度、降低加工成本、節(jié)省原材料。也在也有公司在研發(fā)這種組合式數(shù)控加工設(shè)備。

CNC數(shù)控加工（減材制造）：

3D數(shù)字化加工是實現(xiàn)珠寶工業(yè)4.0的關(guān)鍵技術(shù)之一，沒有這個技術(shù)，CAD軟件創(chuàng)建出來的3D模型就無法生產(chǎn)，那么這個CAD軟件就等同于視覺類的3D軟件，中看不中用。所以說，3D設(shè)計軟件、3D打印機以及數(shù)控CNC設(shè)備共同組成了珠寶生產(chǎn)鏈的基礎(chǔ)工具。加上創(chuàng)意設(shè)計供應(yīng)鏈、材料供應(yīng)鏈和零售終端，就形成了珠寶產(chǎn)業(yè)的未來生態(tài)，也就實現(xiàn)了珠寶工業(yè)4.0的目標(biāo)。

人類對改進工具的探索從未停止，工具有兩個作用，一是延伸人的能力，二是提高人的效率。珠寶產(chǎn)業(yè)信息化，其實是產(chǎn)業(yè)工具的革命，互聯(lián)網(wǎng)、3D、VR、大數(shù)據(jù)、人工智能和先進制造技術(shù)的崛起，必將對珠寶行業(yè)產(chǎn)生深遠的影響。

來源：  大業(yè)三維投稿